CN113199266B - 一种大型薄壁件镜像加工磁流变可适刚度支撑装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于薄壁件加工技术领域，提供了一种大型薄壁件镜像加工磁流变可适刚度支撑装置，包括底座、磁流变可控调节单元和力传感单元。其中：底座通过外圆安装面与镜像加工装备连接；3个磁流变可控调节单元内部灌注磁流变液并按照规律排列，每个磁流变可控支撑单元可根据工件实际刚度调节励磁电流，实现支撑刚度的调节；力传感单元位于磁流变可控调节单元中心位置，可实现对支撑力信号的测量。本发明布置紧凑、操作精度高、加工刚度好，稳定性高。
Description
技术领域
本发明属于薄壁件加工技术领域，特别涉及一种大型薄壁件镜像加工磁流变可适刚度支撑装置。
背景技术
镜像加工是解决大型薄壁零件高效稳定加工难题的有效手段之一，已经被广泛应用于飞机蒙皮、火箭燃料贮箱等航空航天高端装备的加工之中。镜像加工系统中，刀具与支撑装置分列于工件两端，刀具在工件待加工表面进行加工，支撑装置在工件另一侧顶撑，两者同步跟随并时刻保持镜像关系。镜像稳定支撑可有效抵消刀具对工件的轴向顶撑作用，减少工件受力变形，提高系统刚度，抑制加工颤振。如何实现镜像稳定支撑是保证镜像加工稳定进行的关键。
为了保证镜像加工稳定支撑，国内外研究学者进行了大量探索和有益尝试。目前，主要支撑形式包括“刚性支撑”、“柔性支撑”和“刚柔混合支撑”等。“刚性支撑”采用单点接触或平面接触等形式对工件进行滚动/滑动支撑，但可靠保证构件加工中的镜像随动支撑刚性非常困难，若施以更大的支撑力易产生明显的支撑划痕。“柔性支撑”采用低硬度材料(如硬塑料等)平板或气浮等驱动形式为工件提供柔性支撑，在一定程度上保证了镜像支撑的可靠性，但支撑调节具有滞后性，难以实现支撑的反馈控制。“刚柔混合支撑”将“刚性支撑”和“柔性支撑”相结合，可避免“刚性支撑”导致的支撑划痕和“柔性支撑”的滞后性，但其具体支撑效果与工件实际状态、驱动形式等有关，调控难度大。
面向大型薄壁件镜像加工过程，支撑刚度的动态调节对实现镜像加工稳定支撑至关重要。大型薄壁件自身刚度随材料去除过程、工件切削位置等动态变化。镜像支撑刚度如不能与工件时变刚度动态匹配，易引起薄壁件加工振动，甚至造成工件损伤。因此，需要通过支撑刚度动态调整与工件时变刚度动态匹配，保证镜像加工的稳定进行。
2017年，肖聚亮发明了用于薄壁件栅格加工的带刚柔支撑的吸附支撑头，通过连接负压泵的橡胶吸盘对工件表面进行吸附，利用主球头支撑杆对工件进行刚性支撑，利用内置弹簧的辅球头支撑杆对工件进行柔性支撑，但是缺乏对支撑刚度的调节能力。2013年，意大利热那亚大学研制的机器人多智能体夹具SwarmltFIX，采用磁流变液填充内腔、随形固化支撑点阵活塞的形式，对薄壁工件进行高刚度支撑，具有一定的随形支撑能力，但未见其通过调节励磁磁场实现刚度可变的相关研究。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是针对大型薄壁件镜像加工过程难以保证稳定支撑的问题，发明了一种技术效果优良的大型薄壁件镜像加工磁流变可适刚度支撑装置，能够实现镜像加工过程支撑刚度的可适调节。
本发明的技术方案：
一种大型薄壁件镜像加工磁流变可适刚度支撑装置，包括底座I、磁流变可控调节单元II和力传感单元III；其中：底座I通过外圆安装面与镜像加工装备连接；3个磁流变可控调节单元II内部灌注磁流变液2.12并按照规律排列，每个磁流变可控支撑单元II根据工件实际刚度调节励磁电流，实现支撑刚度的调节；力传感单元III位于多个磁流变可控支撑单元II所围城区域的中心位置，实现对支撑力信号的测量；底座I、磁流变可控调节单元II和力传感单元III串联布置，形成大型薄壁件镜像加工磁流变可适刚度支撑装置。
所述的底座I，包括外圆安装面1.1、键槽1.2、方形孔1.3、螺纹孔1.4和螺纹孔1.5；底座I通过后端的外圆安装面1.1与镜像加工装备连接，外圆安装面1.1的侧面设有键槽1.2实现底座I的轴向定位；前端设有方形孔1.3、螺纹孔1.4和螺纹孔1.5，用以安装磁流变可控调节单元II和力传感单元III；方形孔1.3下方开有小方形孔1.6，实现力传感器信号的输出。
所述的磁流变可控调节单元II，包括外保护壳体2.1、下O型密封圈2.2、隔磁环2.3、励磁线圈2.4、上O型密封圈2.5、端盖2.6、支撑头基座2.7、支撑滚珠2.8、支撑杆2.9、挤压板2.10、复位弹簧2.11和磁流变液2.12；其中，外保护壳体2.1和端盖2.6组成磁流变可控调节单元II的外壳，外保护壳体2.1通过后端螺纹与螺纹孔1.4连接；端盖2.6的中心处开有通孔，通孔内套固定有用于安装支撑头基座2.7的支撑杆2.9，支撑头基座2.7上安装有支撑滚珠2.8；支撑杆2.9下固定有挤压板2.10，挤压板2.10下表面与外保护壳体2.1内壁间安装有复位弹簧2.11；隔磁环2.3安装在磁流变可控调节单元II的外壳内，其两端分别与外保护壳体2.1和端盖2.6连接，并通过O型密封圈密封；励磁线圈2.4安装在磁流变可控调节单元II的外壳内；当支撑装置与工件接触时，支撑滚珠2.8在工件表面滚动摩擦，实现对工件的支撑；通过调节励磁线圈2.4的电流实现对磁场强度的调节，进而对磁流变液2.12的固化过程进行控制，实现对支撑刚度和支撑阻尼的调节；挤压板2.10在支撑杆2.9的压迫下在磁流变液2.12中做挤压运动；复位弹簧2.11实现支撑滚珠2.8、支撑杆2.9和挤压板2.10的恢复；
所述的力传感单元III，包含支撑滚珠3.1、支撑柱3.2、转接块3.3和压电传感器3.4，四者串联布置形成力传感单元III；压电传感器3.4将支撑力信号输出，并进行数据采集。
本发明应用于镜像加工装备。薄壁件镜像加工过程中，镜像加工支撑装置中心与加工刀具中心关于工件对称，呈镜像运动关系。镜像加工控制系统根据规划的支撑轨迹和加工轨迹，带动支撑装置和加工刀具进行运动。运动过程中，利用力传感单元III内置的压力传感器3.4对支撑装置与工件之间的接触力进行测量，根据接触力信息和廓形特征计算接触刚度，根据接触刚度调节各个磁流变可控调节单元II的电流，实现对支撑刚度的调节。
本发明的有益效果：本发明可对大型薄壁零件镜像加工过程支撑界面支撑力信息进行测量并计算接触刚度，并通过磁流变可控调节单元对支撑刚度进行调节。本发明利用力传感单元内置的压电传感器，可以实现实现对支撑界面接触力信息的综合感知，测量准确度高，实时性好；本发明利用磁流变液的可控固化特性，根据支撑界面力/位信息计算支撑刚度，并通过调节电流实现对支撑刚度的可控调节，使得工件在加工点处时刻保持近恒刚度支撑，工件-支撑系统刚性好，加工过程稳定，加工精度与表面质量高，具有很高的技术价值。
附图说明
图1为磁流变可适刚度支撑装置图；
图2为磁流变可适刚度支撑底座图；
图3为磁流变可适刚度支撑底座剖视图；
图4为磁流变可控支撑单元剖视图；
图5为力传感单元图；
图中：I底座；II磁流变可控调节单元；III力传感单元；1.1外圆安装面；1.2键槽；1.3方形孔；1.4螺纹孔；1.5螺纹孔；1.6小方形孔；2.1外保护壳体；2.2下O型密封圈；2.3隔磁环；2.4励磁线圈；2.5上O型密封圈；2.6端盖；2.7支撑头基座；2.8支撑滚珠；2.9支撑杆；2.10挤压板；2.11复位弹簧；2.12磁流变液；3.1支撑滚珠；3.2支撑柱；3.3转接块；3.4压电传感器。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1至图5所示，本实施例包括：底座I、磁流变可控调节单元II和力传感单元III。其中：底座I通过外圆安装面与镜像加工装备连接；3个磁流变可控调节单元II内部灌注磁流变液并按照规律排列，每个磁流变可控支撑单元II可根据工件实际刚度调节励磁电流，实现支撑刚度的调节；力传感单元III位于磁流变可控调节单元中心位置，可实现对支撑力信号的测量。底座I、磁流变可控调节单元II和力传感单元III串联布置，形成磁流变可适刚度支撑装置。
所述的底座I通过后端外圆安装面1.1与镜像加工装备连接，上端设计有键槽1.2实现底座I的轴向定位；前段设计有方形孔1.3、螺纹孔1.4和螺纹孔1.5，用以安装磁流变可控调节单元II和力传感单元III；方形孔1.3下方开有小方形孔1.6，实现力传感器信号的输出。
所述的磁流变可控调节单元II，包括外保护壳体2.1、下O型密封圈2.2、隔磁环2.3、励磁线圈2.4、上O型密封圈2.5、端盖2.6、支撑头基座2.7、支撑滚珠2.8、支撑杆2.9、挤压板2.10、复位弹簧2.11、磁流变液2.12。其中，外保护壳体2.1通过后端螺纹与螺纹孔1.4连接；当支撑装置与工件接触时，支撑滚珠2.8在工件表面滚动摩擦，实现对工件的支撑；通过调节励磁线圈2.4的电流可实现对磁场强度的调节，进而对磁流变液2.12的固化过程进行控制，实现对支撑刚度和支撑阻尼的调节。挤压板2.10在支撑杆2.9的压迫下在磁流变液2.12中做挤压运动；复位弹簧2.11实现支撑滚珠2.8、支撑杆2.9和挤压板2.10的恢复。
所述的力传感单元III，包含支撑滚珠3.1、支撑柱3.2、转接块3.3和压电传感器3.4，四者串联布置形成力传感单元III。压电传感器将支撑力信号输出，并进行数据采集。
本实例通过以下方式进行工作：将本发明应用于镜像加工装备；镜像加工控制系统根据规划的支撑轨迹和加工轨迹，带动支撑装置和加工刀具进行运动；运动过程中，利用力传感单元III内置的压力传感器3.4对支撑装置与工件之间的接触力进行测量，根据接触力信息和廓形特征计算接触刚度，根据接触刚度调节各个磁流变可控调节单元II的电流，实现对支撑刚度的调节。
Claims (1)
1.一种大型薄壁件镜像加工磁流变可适刚度支撑装置，其特征在于，该大型薄壁件镜像加工磁流变可适刚度支撑装置包括底座（I）、磁流变可控调节单元（II）和力传感单元（III）；其中：底座（I）通过外圆安装面与镜像加工装备连接；3个磁流变可控调节单元（II）内部灌注磁流变液（2.12）并按照规律排列，每个磁流变可控调节单元（II）根据工件实际刚度调节励磁电流，实现支撑刚度的调节；力传感单元（III）位于多个磁流变可控调节单元（II）所围成区域的中心位置，实现对支撑力信号的测量；底座（I）、磁流变可控调节单元（II）和力传感单元（III）串联布置，形成大型薄壁件镜像加工磁流变可适刚度支撑装置；
所述的底座（I），包括外圆安装面（1.1）、键槽（1.2）、方形孔（1.3）、螺纹孔I（1.4）和螺纹孔II（1.5）；底座（I）通过后端的外圆安装面（1.1）与镜像加工装备连接，外圆安装面（1.1）的侧面设有键槽（1.2）实现底座（I）的轴向定位；前端设有方形孔（1.3）、螺纹孔I（1.4）和螺纹孔II（1.5），用以安装磁流变可控调节单元（II）和力传感单元（III）；方形孔（1.3）下方开有小方形孔（1.6），实现力传感器信号的输出；
所述的磁流变可控调节单元（II），包括外保护壳体（2.1）、下O型密封圈（2.2）、隔磁环（2.3）、励磁线圈（2.4）、上O型密封圈（2.5）、端盖（2.6）、支撑头基座（2.7）、支撑滚珠I（2.8）、支撑杆（2.9）、挤压板（2.10）、复位弹簧（2.11）和磁流变液（2.12）；其中，外保护壳体（2.1）和端盖（2.6）组成磁流变可控调节单元（II）的外壳，外保护壳体（2.1）通过后端螺纹与螺纹孔I（1.4）连接；端盖（2.6）的中心处开有通孔，通孔内套固定有用于安装支撑头基座（2.7）的支撑杆（2.9），支撑头基座（2.7）上安装有支撑滚珠I（2.8）；支撑杆（2.9）下固定有挤压板（2.10），挤压板（2.10）下表面与外保护壳体（2.1）内壁间安装有复位弹簧（2.11）；隔磁环（2.3）安装在磁流变可控调节单元（II）的外壳内，其两端分别与外保护壳体（2.1）和端盖（2.6）连接，并通过O型密封圈密封；励磁线圈（2.4）安装在磁流变可控调节单元（II）的外壳内；当支撑装置与工件接触时，支撑滚珠I（2.8）在工件表面滚动摩擦，实现对工件的支撑；通过调节励磁线圈（2.4）的电流实现对磁场强度的调节，进而对磁流变液（2.12）的固化过程进行控制，实现对支撑刚度和支撑阻尼的调节；挤压板（2.10）在支撑杆（2.9）的压迫下在磁流变液（2.12）中做挤压运动；复位弹簧（2.11）实现支撑滚珠I（2.8）、支撑杆（2.9）和挤压板（2.10）的恢复；
所述的力传感单元（III），包含支撑滚珠II（3.1）、支撑柱（3.2）、转接块（3.3）和压电传感器（3.4），四者串联布置形成力传感单元（III）；压电传感器（3.4）将支撑力信号输出，并进行数据采集。
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